礦用車輛座椅有限元仿真分析

侯堯花

(1、中國煤炭科工集團太原研究院,山西 太原030006 2、山西天地煤機裝備有限公司,山西 太原030006)

礦用輕型車主要用來完成煤礦人員的輔助運輸工作,它通常行駛在坑坑洼洼的泥石路面,由于礦用車輛的懸掛減振系統(tǒng)主要利用鋼板彈簧,因此地面?zhèn)鬟f到車身的振動能量非常大,特別是快速行駛的時候[1-2]。座椅的主要作用就是為車輛駕駛人員提供一個固定駕駛的作用,它是連接駕駛員與輕型車底盤的重要部件,它的結構特性直接影響著煤礦司機和礦工人員乘坐舒適性問題,學者周艾利用JACK仿真技術,完成對工業(yè)搬運車座椅虛擬模型仿真分析,并結合人機工程學原理分析駕駛員所處的人- 機- 環(huán)境系統(tǒng),王淑芬[4]利用人機工程完成了座椅的拓撲優(yōu)化設計,完成對座椅減重20%的設計目標,梁文峻對公交座椅的液壓系統(tǒng)進行了分析,解決了扶手和升降機構的協(xié)調性問題,不少學者對動車座椅和乘用車的座椅骨架進行了強度設計分析,但是對礦用車輛的隨機振動幾乎沒有相關的分析。座椅的結構主要以座椅的骨架來進行整體的受力支撐,不少國內外學者進行了相關的研究分析,主要集中于不同環(huán)境下的作業(yè)車輛,包括商務車輛、家用車輛、工程機械車輛等[3],結構動態(tài)特性是汽車座椅骨架性能提升時需要重點關注的問題,研究座椅骨架動態(tài)特性對車輛座椅設計有著重要意義。一般學者研究假設將座椅簡化為多自由度彈簧- 阻尼和質量塊形式,一定程度上不能非常準確反應動態(tài)特性對運人車座椅影響,本研究方向結合路面和整車的受迫振動影響對其進行模態(tài)分析、隨機振動和疲勞響應分析,為汽車座椅骨架結構設計和整車動態(tài)特性的優(yōu)化設計提供參考。

1 輕型車有限元仿真分析

圖1 某礦用運人車座椅振動過大造成座椅局部開裂

礦用輕型防爆柴油機無軌膠輪運輸車輛在井下無軌輔助運輸中所起的作用越來越大,座椅提供給駕駛員一定的支撐作用。座椅整體所受到的外部力學特性復雜,包括人體對它的縱向壓力和橫向沖擊力,因此其固定腿和承座面動態(tài)破壞。圖1 為某礦服役期內某型號防爆柴油機輕型車座椅破壞形式,產生的原因：第一是強度不足造成,第二是座椅的振動過大,造成局部開裂,降低了強度。因此為了改進這種結構設計,需要進行強度分析和振動分析,找到其振動變化較大的區(qū)域,進行后續(xù)的改進設計。

(1)三維模型建立

對座椅骨架進行模型的簡化,利用Solidworks 軟件建立該型號輕型車座椅模型尺寸如圖2 所示。

圖2 座椅soildworks 三維模型

整個座椅結構采用前后沉降式結構設計。在有限元軟件中設置模型參數,溫度選擇在22 攝氏度,座椅的本身材料性質為鋼,它的彈性模量為2.10×1011Pa,泊松比為0.27,密度為7.8×103kg/m3,總體的質量大約為15kg,抗拉強度345MPa,最大屈服強度325MPa,設置完成后開始進行下一步的網格劃分。

(2)網格劃分

本文在仿真軟件中進行網格自動劃分,考慮到仿真的精確性設置的座椅單元尺寸均為1mm,劃分完成后網格共13765 個單元如圖3 所示。

(3)邊界條件加載

根據運人車座椅實際支撐受力大小,施加座椅和底板固定接處進行位移=0 的約束,4 處接觸采用約束固定,施加垂直向下重力加速度。

圖3 網格劃分結果

1.1 座椅靜力學強度分析

靜力學的強度仿真計算主要就是判斷在Y=Kx線性假設的情況下,受力部件的力和位移的關系,通過計算結果可以判斷自己設計運人車座椅模型結構是否符合其材料選型要求,利用這個有限元Von Mises 力大小可以確定易發(fā)生斷裂疲勞失效位置,同時可在強度滿足要求基礎下進行動載荷下的響應特性預測。

通過常用的2 種類型的受力方式來模擬座椅在運人車通過不平整的路線行駛受力狀態(tài),下面通過設置導入模型、材料選擇、加載邊界條件、后處理等,運人車座椅靜力學強度分析如下：

圖4 座椅滿載彎曲應力分析

圖5 轉向瞬間滿載彎曲應力

通過對運人車座椅選擇滿載彎曲和轉向瞬間兩個狀態(tài)下的強度分析,滿載彎曲按照駕駛員重量載荷的3 倍計算,分析得到上下彎曲載荷最大為175.9MPa,扭轉載荷最大為211MPa,安全系數大于1.63,因此設計強度符合材料特性。

1.2 疲勞分析

通過上述的隨機振動分析位移數據,得到對應的座椅疲勞壽命的預測如下仿真結果。(圖6)

在隨機振動下進行長時間的激勵得到座椅設計的抗低周疲勞使用壽命大于10e5 數量級以上,安全系數大于5.06。其容易發(fā)生斷裂失效的部位為四個支腿與座椅底板連接處。

圖6 座椅疲勞分析結果

2 結論

本文利用有限元技術對某礦用運人輕型車座椅進行了不同特性力學研究與仿真,通過假設實際行駛過程中的座椅受力工況,對其力學振動特性仿真與座椅壽命疲勞預測,其總結有下述幾點：

2.1 座椅有限元靜力學模塊分析得到其不同受力工況下最大應力強度為175MPa,達不到最大危險應力極限；座椅動力學模塊得到影響共振狀態(tài)的前5 階低頻模態(tài)頻率和模態(tài)質量,分析對比前2 階模態(tài)頻率可以判斷引起座椅共振原因,座椅靠背和后支腿扭轉振動最大振幅基本符合實際駕駛中的振動特征。

2.2 通過隨機振動分析得到其求解后查看,Z 方向上的1sigma置信度在Y 方向上最大應力點處有68%的概率不超過41.82Mpa,2sigma 有95.4%的概率不超過83.6MPa,并且隨機振動下整個座椅底板中間的位置振動幅度較大。

2.3 分析S-N壽命曲線預測礦用運人車座椅疲勞壽命,分析得到曲線趨勢分布合理,考慮到實際的使用環(huán)境,無法以DOE 方法得到座椅疲勞壽命。得出在一般的隨機振動作用下其抗疲勞能力大于10e5 數量級。

最后得到該座椅骨架結構,整體結構強度夠,造成前面的破壞原因主要在于長期的受迫振動造成,因此需要進行改進設計,可以在座椅支腿處和后靠背與駕駛室連接處加裝阻尼裝置,提高其抗振特性,增加車輛行駛的平順性。